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由前章物理模式可得到所有管路計算所需的方程式,而怎樣把方程式完整的 解出則要利用數值方法。首先我們考慮如圖 2-14 的管路,計算其效率及功率部 分,公式建立與求解的過程可分為下列六個步驟:

(1) 輸入資料:輸入所有管段的相對資料,包含各管段的長度、直徑和粗糙 度、管路元件(風門、合流管和彎管等),工作流體密度與黏滯係數,系 統所有出入口的全壓值,不同形式離心式流體機械性能曲線、效率曲線 和所在管段與流向。

(2) 建立預設流量方向:由於輸入資料中,並沒有給定流向值,在此要先決 定各管段流量的方向性。

(3) 建立方程式:求出連續及能量守恆方程式以及加入性能曲線轉換後的方 程式。

(4) 非線性方程式轉換成線性方程式:將能量守恆所建立的非線性方程組轉 換成線性方程組。

(5) 解線性聯立方程組與誤差設定:利用線性法求解流量未知數,並設定合 理之誤差值,使得流量與各管段壓損值達到收斂條件。

(6) 效率與功率之設定:將計算出的流量在帶入效率曲線方程式與功率式

(2-63)得到功率與效率值。

(1) 輸入資料

輸入的方法採用綜合法(Combined Representation, [5]),由 3 個一維陣列 表示其管路結構的相對位置。考慮圖 2-12 的管路,輸入的 3 個向量

元素對應的節點 1,2,3,4,5,6,7,9,10,11,12

位置向量 T:[1 2 3 6 7 10 11 12 15 18 19 22]

相連接管路向量 AT:[1 2 1 2 3 4 3 4 5 6 7 6 7 8 5 8 9 10 9 10 11 11]

相連接節點向量 TL:[3 3 1 2 5 5 3 4 9 8 8 6 7 9 5 8 11 11 9 10 12 11]

T 是位置向量,用來對應每一個節點在其它兩個向量開始的位置。AT 是相 連接管路向量,用來記錄與節點相連接的管路。TL 是相連接節點向量,用來記 錄與節點相連接的節點。如 T 向量第 1 個元素 1 代表在 AT 和 TL 中,與節點 1 有關的資料從第 1 個元素開始,也就是說 AT 向量記錄與節點 1 相連接的管路是 管路 1,TL 向量記錄與節點 1 相連接的節點是節點 3;而 T 向量第 5 個元素就代 表節點 5 相關的資料從第 7 個算起,意即與節點 5 相連接的管路是管 3、管 4 和 管 5,相鄰的節點是節點 3、節點 4 和節點 9。同理,與節點 9 相連接的管路有 管 5、管 8 和管 9,與節點 7 相鄰的節點有節點 5、節點 8 和節點 11,其它的節 點可以依此類推。此外,尚需要輸入每根管路的長度、直徑、粗糙度與工作流量 的密度,用來計算摩擦的全壓損失,粗糙度與管路材質有關。其它元件包括風門,

多管連接的結構或其它會造成全壓損失的元件。除了這些輸入的資料外,尚需動 力源所在的管段、流體推動方向和性能曲線。

(2) 建立方程式

由於綜合法並沒有輸入流體的流向,可依系統的需求假設初始流向,若系統 為排氣系統,則流體從吹出口(圖 2-14 的節點 10 和 12)流向出口點(節點 1、2、4、

6 和 7)。因此我們可以採用樹狀圖的方式,將流向先做初步假設。建立樹狀結構 的步驟為

1. 以最外側離心式流體機械的入口節點(也就是節點 12)為參考起點,將此 點設為目標點(存入於目標點向量中),同時將目標點也存入已搜尋向量。

2. 找出與目標點相連接的節點,判別此節點是否存在於已搜尋向量,若尚 未存在,則將方向設為相鄰節點流向目標點,並將資料記錄下來,反之 則跳過。

3. 此時將有設定方向之相鄰節點,存入下次目標點向量與已搜尋向量中,

待目標點向量內之所有目標點用完,下次目標點向量取代目標點向量。

4. 若已搜尋過向量的節點數目等於管路的節點數則程式結束,否則持續步 驟 2 和步驟 3。

5. 最後判別離心式流體機械之流向是否與所在管段流向相同,如果不同則

機並聯的例子,可發現管 10 流向不合,因此再執行步驟 5,矩陣變為(3-2)式

(1,1),這表示管 1 為節點 1 之上游管段,再從第 1 列中找出值為-1 的位置(1,3),

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10 Q11 H11 G10

(5) 解線性聯立方程組與誤差設定

線性聯立方程組可利用最常見之高斯消去法求解。所求出的

Q

n1必需達到收 斂條件,也就是誤差值

( Q

n1

Q

n

) / Q

n必需小於 0.001。若未達收斂條件,則

Q

n1 取代原

Q

n之位置,重復計算求得之新的流量值。為了加速收斂速度,可添設收

斂係數γ,即

Q

n1

 γ Q

n

 ( 1  γ ) Q

n1,再將

Q

n

1代入迭代過程,γ值約 0.7~0.8 時收斂速度最快。當流量收斂後,需再將每根管段之壓損值求出,確認每段的壓 損值達到收斂條件,相對誤差小於 0.001,迭代過程才算完成。

(6) 效率與功率之設定

計算出流量之後在利用流量與性能曲線關係找出操作點的壓力,在與效率曲 線上流量與效率關係,將流量帶入效率曲線內找出效率,最後利用(2-62)式帶 入壓力流量以及效率找出正確的功率值。

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